《敏感材料》PPT课件.pptx

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1、第三章第三章 敏感材料敏感材料内内 容容热敏陶瓷热敏陶瓷1气敏陶瓷气敏陶瓷2热释电陶瓷热释电陶瓷3敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感的特性而制得的。按其相应的特性，可把这些材料分别称作热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏、热释电及离子敏感陶瓷。热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性等性质随温度发生明显变化的材料，主要用于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的元件-热敏电阻(thermistor)。热敏陶瓷具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简单及价格便宜等特点。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷热

2、敏电阻的特性1.温度特性：是一条指数曲线。热敏电阻器的电阻温度关系可表示为式中，Rt为温度t时的电阻值；R1为温度20时的电阻值；为热敏电阻常数，与材料的性质有关，通常取3000-5000K。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷温度系数：在某一温度T下(通常为20)，当温度变化1时，热敏电阻阻值的变化率。即T和RT对应于温度T(K)时的电阻温度系数和电阻值，在工作温度范围内，T不是一个常数。热敏电阻的温度系数绝对值比金属高很多倍，灵敏度较高，且电阻大，测量线路简单，不需要考虑引线带来的误差，能够远距离测量。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷2.伏安特性：在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端

3、之间的电压V的关系。当流过热敏电阻的电流很小时，电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律，适于温度测量。当电流增大到一定值时，热敏电阻温度升高，出现负阻特性，即使电流增大，端电压反而下降。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷3.电流-时间特性：热敏电阻在施加电压的过程中，电流随时间变化的特性。开始加电瞬间的称为起始电流。一定环境温度下，给热敏电阻加一个起始电流，通过PTC热敏电阻的电流降低到起始电流的50%时经历的时间就是动作时间。电流-时间特性是自动消磁热敏电阻、延时启动热敏电阻、过载保护热敏电阻的重要参考特性。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷热敏电阻的参数1.标称阻值Rc：热敏

4、电阻器在规定温度下(25)的实际电阻值。2.材料常数B：描述热敏电阻材料物理特性的参数，也是热灵敏度指标，B值越大，表示热敏电阻器的灵敏度越高。在实际工作时，B值并非一个常数，而是随温度的升高略有增加。3.电阻温度系数T：它表示温度变化1时的阻值变化率，单位为%/。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷4.时间常数：描述热敏电阻器热惯性的参数。指的是在无功耗的状态下，环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突然改变时，热敏电阻的温度变化到两个特定温度之差的63.2%所需的时间。越小，表明热敏电阻器的热惯性越小。5.耗散系数：功率耗散的变化量与元件相应温度变化量之比称为耗散系数，其单位为W/。耗散系数

5、是表征热敏电阻器与周围媒介进行热交换能力的一个参数。对于大功率发热件来讲，耗散系数更重要，它直接影响到功率输出。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷热敏电阻按特性分类：正温度系数热敏电阻：电阻随温度升高而增大的热敏电阻，简称PTC热敏电阻(positivetemperaturecoefficient)；负温度系数热敏电阻：电阻随温度的升高而减小的热敏电阻，简称NTC热敏电阻(negativetemperaturecoefficient)；临界温度热敏电阻：电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏电阻，简称为CTR(criticaltemperatureresistor)。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热

6、敏陶瓷PTC热敏电阻：具有电阻值随着温度升高而增大的特性，特别是在居里温度点附近电阻值跃升有37个数量级。利用其最基本的电阻温度特性及电压-电流特性与电流-时间特性，PTC热敏电阻已广泛应用于工业电子设备，汽车及家用电器等产品中，以达到自动消磁、过热过流保护，马达启动，恒温加热，温度补偿、延时等作用。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷PTC热敏电阻器有两大系列：一类是采用BaTiO3为基材料制作的PTC；另一类是以氧化钒为基的材料。1.BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷(1)BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件当BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半导化，而晶界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。P

7、TC效应完全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单晶不具有PTC效应。纯BaTiO3具有较宽的禁带，室温下的电阻率为1012cm，接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷(2)陶瓷的半导化：指在禁带中形成附加能级(施主能级或受主能级)，在室温下可以受到热激发产生导电载流子，形成半导体。形成附加能级的方法：化学计量比偏离和掺杂。A、化学计量比偏离：在陶瓷制备过程中，通过控制烧结温度、烧结气氛以及冷却气氛等，产生化学计量的偏离。B、掺杂：在氧化物中掺入少量高价或低价杂质离子，引起氧化物晶体的能带畸变，形成施主能级和受主能级，形成n型或p型半导体。敏感材料敏感材料-热

8、敏陶瓷热敏陶瓷(3)BaTiO3陶瓷的半导化：A.掺杂施主金属离子：在高纯BaTiO3陶瓷中，用La3+、Ce4+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Sb3+、Bi3+等置换Ba2+，或用Nb5+、Ta5+、W6+等置换Ti4+，获得电阻率为103-105cm的n型半导体。电阻率一般随掺杂浓度的增加而降低，达到某一浓度时，电阻率降至最低值，继续增加浓度，电阻率则迅速提高，甚至变成绝缘体。BaTiO3的电阻率降至最低点的掺杂浓度(质量分数)为：，Ce、La、，。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷B.AST掺杂：以SiO2或AST(4A12O39SiO23TiO2)对BaTiO3进行掺杂，AST加入量3

9、于1260-1380烧成后，电阻率为40-100cm。C.化学计量比偏离：采用在真空、惰性气体或还原性气体中加热BaTiO3。由于失氧，BaTiO3内产生氧缺位，部分Ti4+将俘获电子成为Ti3+。在还原以后，需要在氧化气氛下重新热处理，才能得到较好的PTC特性，电阻率为1-103cm。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷(4)BaTiO3PTC陶瓷的生产工艺：A、原料：一般应采用高纯度的原料，特别要控制受主杂质的含量，把Fe、Mg等杂质含量控制在最低限度。一般控制在0.01mol%以下。B、掺杂：施主掺杂物La2O3、Nb2O5、Y2O3等宜在合成时引入，含量在0.20.3mol%这样一个狭窄

10、的范围内。C、瓷料制备及成型：传统的工艺难以解决纯度和均匀性的问题，现已经开始采用液相法。D、烧成：PTC陶瓷必须在空气或氧气氛中烧成。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷PTC热敏电阻的应用：用于计算机及其外部设备、移动电话、电池组、远程通讯和网络装备、变压器、工业控制设备、汽车及其它电子产品中。开关类的PTC陶瓷元件，具有开关功能，使电器设备避免过流、过热损坏；加热类的PTC陶瓷元件，它是一种温度自控的发热体，用于暖风机、电吹风、电蚊香、电熨斗等需要保持恒定温度的电器上，可省去一套温控线路。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷负载过电流、过热保护热敏电阻动作后，电路中电流大幅度降低，可同时起到

11、过热保护和过流保护两种作用。热敏电阻也适用于手提电脑及手机中的锂离子电池和镍氢电池的短路及发热保护。当手机电池过充电或短路时，电池发热，电池内部线路板上的PTC阻值上升，将电流限制在安全范围内。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷PTCR在消磁电路中的应用彩色显像管的金属部件易受到地磁场或机内、外杂散磁场的影响，使这些部件磁化，图像色彩出现异常，因此彩色电视机都有自动消磁电路。显像管上的消磁线圈与PTCR串联组成消磁电路。刚开机时，PTCR冷电阻很小(约为12-18)，流过消磁线圈的电流很大，产生强交变磁场，电流同时也流过PTCR，使其温度上升，其阻值迅速增大，电流呈衰减波形，磁场逐渐减弱起到消

12、磁的作用。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷电机启动PTC热敏电阻 电机在启动时，要克服本身的惯性，同时还要克服负载的反作用力，需要较大的电流和转矩。转动正常后，为了节约能源，转矩又要大幅度下降。给电机加一组辅助线圈，启动时工作，正常后断开。将PTC热敏电阻串联在启动线圈，启动后PTC电阻进入高阻态切断辅助线圈，可以达到这种效果。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷灯丝预热用PTC热敏电阻器用于各种荧光灯电子镇流器、电子节能灯中，将适当的热敏电阻器直接跨接在灯管的谐振电容器两端，可以变硬启动为预热启动，使灯丝的预热时间达2秒，可延长灯管寿命三倍以上。刚接通开关时，Rt处于常温态，其阻值远远低于C

13、2阻值，电流通过C1，Rt自热温度超过居里点温度Tc跃入高阻态，其阻值远远高于C2阻值，电流通过C1、C2形成回路导致LC谐振，产生高压点亮灯管。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷NTC热敏电阻：具有电阻值随着温度升高而减小的特性，按照使用温度可分为低温(-130-0)、常温(0300)及高温(300)用三种类型，是以尖晶石结构为主的半导体功能陶瓷，主要应用于温度测量和温度补偿。NTC热敏电阻通常都是以Mn3O4为主材料，同时引入CoO、NiO、CuO、Fe2O3等，使其在高温下形成尖晶石结构的半导体材料，主要有二元、三元及四元系材料。二元系NTC热敏电阻常用的二元系NTC热敏电阻材料有：Mn

14、O-CoO-O2，MnO-CuO-O2，MnO-NiO-O2、CoO-CuO-O2，CoO-NiO-O2，CuO-NiO-O2系等。其中，最有实用意义的为Co-Mn系材料。它在20时的电阻率为103cm，主晶相为立方尖晶石MnCo2O4。随着Mn含量的增大，则形成MnCo2O4立方尖晶和MnCo2O4四方尖晶的固溶体，电阻率逐渐增大。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷缺点：对组分敏感，组分稍有变化，电导率就可能变化几个数量级，使产品一致性和重复性差。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷三元系NTC热敏电阻材料常用的三元系NTC热敏电阻材料有：MnO-CoO-Ni

15、O-O2，MnO-CuO-NiO-O2，MnO-CuO-CoO-O2。在三元系浓度三角形中央区域内，材料的电导率对阳离子成分不敏感，组分稍有变化，电导率变化很小，可以生产出一致性、重复性、稳定性优良的NTC热敏电阻。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷四元系NTC热敏电阻材料常用的含锰四元系NTC热敏电阻材料有：MnO-CoO-NiO-FeO-O2，MnO-CoO-NiO-CuO-O2，MnO-NiO-FeO-CuO-O2，MnO-CoO-FeO-CuO-O2。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷高温热敏电阻：工作温度在300以上的热敏电阻(NTC)。一般要求为熔点高、性能稳定、热敏感性高、电阻温

16、度系数大、元件烧成后，与电极的接触状态好、可通过调整配方和晶粒度能够改变电阻的温度特性。高温热敏电阻有广泛的应用前景，尤其在汽车空气/燃料比传感器方面，有很大的实用价值。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷主要使用的两种较典型材料为：(1)稀土氧化物材料：Pr、Er、Tb、Nd、Sm等氧化物，加入适量其他过渡金属氧化物，在1600-1700烧结后，可在300-1500工作。(2)MgAl2O4-MgCr2O4-LaCrO3三元系材料：该系材料适用于1000以下温区。低温热敏电阻：工作温度在-60以下的热敏电阻材料(NTC)。低温热敏电阻材料以过渡金属氧化物为主，加入La、Nd、Pd等的氧化物。主

17、要材料有Mn-Ni-Fe-Cu、Mn-Cu-Co、Mn-Ni-Cu等。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷NTC热敏电阻陶瓷的应用：温度补偿：用于石英振荡器(23个NTC)；抑制浪涌电流：用于控制开关电源、电机、变压器等在接通瞬时产生的大电流；温度检测：用于热水器、空调、厨房设备、办公用品、汽车电控等。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷测温原理：将NTC热敏电阻置于测量温度处并将其成为电桥的一臂，随着温度变化NTC阻值发生变化，电桥失去平衡后一个明显的电流通过电流表，该电信号经过数字化，终端为一个温度数字表。液位测量：将NTC接入某一特定回路，根据NTC对不同介质中耗散系数的差异导致的升温差异，

18、检测阻值变化，感知液位变化。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷温度控制原理：与测温一样，将电桥失去平衡后的电流信号传输到控制电路，对其电流或电压进行控制。磁盘驱动器稳压：磁盘驱动器的磁性读写头输出电压具有负温度系数特性，温度系数为-0.4%/，用NTC热敏电阻补偿后输出电压稳定，保证磁盘的正常工作。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷片式NTC热敏电阻主要应用在移动电话、手提电脑、液晶显示器、个人计算机、传真机以及汽车工业，其中44%用于通讯领域，26%用于汽车工业，30%用于消费类电器。近年来，由于移动通讯、计算机、消费类电子产品、办公自动化设备、汽车电子装备以及军用无线电设备和航空、航天高新

19、数字电子技术产品的迅猛发展，国内市场对片式化NTC热敏电阻的需求与日俱增。国内外对片式NTC热敏电阻的需求以每年2030%的速率递增。敏感材料敏感材料-热敏陶瓷热敏陶瓷CTR热敏电阻：以VO2为基本成分的半导体陶瓷，在68附近电阻值突变达到3-4个数量级，具有很大的负温度系数，因此称为巨变温度热敏电阻或临界(温度)热敏电阻材料。V有5价、4价等多种价态，有多种氧化物，如V2O5、VO2、V2O3、VO等。这些氧化物有不同的临界温度。每种V系氧化物与B、Si、P、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、La、Ag等氧化物形成多元系化合物，可移动其临界温度。巨变温度热敏电阻变化具有再现性和可逆性，可做电气开

20、关或温度探测器。电阻值的急剧变化，通常是随温度的升高，在临界温度附近，电阻值急剧减小。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷气敏陶瓷：陶瓷的表面吸附气体分子时，其体电阻率会随着半导体的类型不同以及气体的种类不同，而发生不同的变化，是对气体敏感的陶瓷材料。陶瓷气敏元件由于其具有灵敏度高、性能稳定、结构简单、体积小、价格低廉、使用方便等优点，得到迅速发展。气体在气敏陶瓷上的吸附脱附必须迅速，需要较高的温度才能得到较大的脱附速率，因此一般要求具有物理和化学稳定性。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷等温吸附：一定的吸附体系在一定的温度下一定量的吸附剂吸附某种气体吸附量的大小。对于一定量固体吸附剂，吸附平衡

21、时其吸附量与温度和气体压力有关。吸附等温曲线：在恒定温度下，对应一定的吸附质压力，固体表面上只能存在一定量的气体吸附。通过测定一系列相对压力下相应的吸附量，可得到吸附等温线。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷型等温线：Langmuir等温线：单层可逆吸附过程，是窄孔吸附，体积充填的结果。样品的外表面积比孔内表面积小很多，吸附容量受孔体积控制。平台转折点对应吸附剂的小孔完全被凝聚液充满。微孔硅胶、沸石、炭分子筛等，出现这类等温线。型等温线：S型等温线：非多孔性固体表面或大孔固体上自由的单一多层可逆吸附过程。拐点B指示单分子层的饱和吸附量，相当于单分子层吸附的完成。相对压力增加形成第二层，在饱和蒸

22、气压时，吸附层数无限大。在吸附剂孔径大于 20nm时常遇到，固体孔径尺寸无上限。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷型等温线：在憎液性表面发生多分子层，或固体和吸附质的吸附相互作用小于吸附质之间的相互作用时，呈现这种类型。例如水蒸气在石墨表面上吸附。在低压区的吸附量少，吸附剂和吸附质之间的作用力相当弱。相对压力越高，吸附量越多，表现出有孔充填。型等温线：低P/P区与型等温线类似，较高P/P区，吸附质发生毛细管凝聚，在这个区内可观察到滞后现象，即在脱附时得到的等温线与吸附时得到的等温线不重合。这种吸附滞后现象与孔的形状及其大小有关。型等温线是中孔固体最普遍出现的吸附行为，多数工业催化剂都呈型等温线

23、。滞后环与毛细凝聚的二次过程有关。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷型等温线：较少见，且难以解释。型等温线：又称阶梯型等温线。是一种特殊类型的等温线，反映的是固体均匀表面上谐式多层吸附的结果。实际上固体的表面，尤其是催化剂表面，大都是不均匀的，因此很难遇到此情况。等温线的形状密切联系着吸附质和吸附剂的本性，因此对等温线的研究可以获取有关吸附剂和吸附质性质的信息。例如：由或型等温线可计算固体比表面积；型等温线是中等孔(孔宽在2-50nm间)的特征表现，同时具有拐点B和滞后环，因而被用于中等范围孔的孔分布计算。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷单分子层吸附理论-Langmuir方程(Langmui

24、r，1916)1.基本观点：固体表面存在没有饱和的原子力场，当气体与之接触时就会被吸附在固体表面，一旦表面上覆盖满一层气体分子，这种力场就得到了饱和，吸附就不再发生，因此，吸附是单分子层的。2.Langmuir方程建立的3个假设：均一、开放的表面；吸附层是定位的，仅当气体分子与表面空位碰撞时才发生吸附作用；每一个吸附位只容纳一个吸附质分子。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷若吸附剂表面覆盖比例为，气体的吸附速率与气体压力成正比，假设气体只有碰撞到表面空白地方时才可能被吸附，则吸附速率与(1-)成正比。脱附的速度与被吸附分子所覆盖的表面积的百分数成正比，也与被吸附的分子中具备脱离表面能量的分子所

25、占的百分数成正比。其中，E即为脱离表面所需的最低能量，对于物理吸附来说，就等于吸附热。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷吸附达到平衡时，吸附速率等于脱附速率，从而得到Langmuir方程：式中令则即其中，Vm为单分子层的饱和吸附量，V为压力p时的实际吸附量。0pp=pk1敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷应用与局限：在临界温度以下的物理吸附中，多分子层吸附远比单分子层吸附普遍。可以通过对Langmuir方程的一些修正，将其用于超临界吸附。由于Langmuir方程是建立在均匀表面假设上的，而真实表面都是不均匀的，因此在实际使用中常常要对表面的不均一性进行修正。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷分

26、类：半导体式、固体电解质式、接触燃烧式。半导体式气敏陶瓷按照主要原料成分来分类，如SnO2型、ZnO型、-Fe2O3型、-Fe2O3型、钙钛矿化合物型、TiO2型等。固体电解质介于固体和液体之间的奇特固体材料，主要特征是离子具有类似于液体电解质的快速迁移特性，如ZrO2氧敏陶瓷，K2SO4、Na2SO4等碱金属硫酸盐等。接触燃烧式气敏陶瓷元件系用铂金丝作母线，表面用陶瓷涂层、触媒材料、防晶粒生长材料以及防触媒中毒材料等涂层所制成。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷气敏陶瓷的性能半导体表面吸附气体分子时，半导体的电导率将随半导体类型和气体分子种类的不同而变化。吸附气体一般分为物理吸附和化学吸附两

27、大类。被吸附的气体一般也可分为两类。具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性(或电子受容性)气体，如O2、NOx等。具有阳离子吸附性质的气体称为还原性(或电子供出性)气体，如H2、CO、乙醇等。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷典型的气敏半导体陶瓷：SnO2系气敏陶瓷、ZnO系气敏陶瓷、Fe2O3系气敏陶瓷。SnO2系气敏陶瓷SnO2系气敏陶瓷是最常用的气敏半导体陶瓷，以SnO2为基材，加入催化剂、黏结剂等，按照常规的陶瓷工艺方法制成的。SnO2气敏陶瓷以超细SnO2粉料为基本原料，粉料越细，比表面积越大，对被测气体越敏感。制造高分散的SnO2超细粉料的方法有锡酸盐分解法、金属锡燃烧法、等离子体反应

28、法及化学共沉淀物热分解法等。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷 SnO2气敏陶瓷所用添加剂多为半导体添加剂，它们有不同的作用，主要是Sb2O3、V2O5、MgO、PbO、CaO等。SnO2系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点：灵敏度高，出现最高灵敏度的温度较低，约在300；元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在低浓度范围，这种变化十分明显，非常适用于对低浓度气体的检测；敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷 对气体的检测是可逆的，而且吸附、解吸时间短；气体检测不需复杂设备，待测气体可通过气敏元件电阻值的变化直接转化为信号，且阻值变化大，可用简单电路实现自动测量；物理化学稳定性好，耐腐蚀，寿命长；结构简

29、单，成本低，可靠性高，耐振动和抗冲击性能好。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷SnO2系气敏陶瓷的应用利用SnO2烧结体吸附还原气体时电阻减少的特性来检测还原气体，已广泛应用于家用石油液化气的漏气报警、生产用探测报警器和自动排风扇等。SnO2系气敏元件对酒精和CO特别敏感，广泛用于CO报警和工作环境的空气监测等。进入实用的SnO2系气敏元件对于可燃性气体，例如H2、CO、甲烷、丙烷、乙醇、酮或芳香族气体等，具有同样程度的灵敏度，因而SnO2气敏元件对不同气体的选择性就较差。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷ZnO系气敏陶瓷ZnO系气敏陶瓷元件最突出的优点是气体选择性强，一般加入适量的贵金属催化

30、剂来提高陶瓷元件的灵敏度。掺Pd的ZnO气敏陶瓷元件对H2、CO灵敏度较高，对碳氢化合物灵敏度较差。掺Ag的氧化锌气敏陶瓷元件对乙醇、苯和煤气较灵敏，且成本也较低。ZnO气敏元件对异丁烷、丙烷、乙烷等碳氢化合物有较高灵敏度，碳氢化合物中碳元素数目越大灵敏度越高。ZnO气敏陶瓷元件可以做成双层，将半导体元件与催化物分离，这样可以更换催化剂来提高元件的气体选择性。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷Fe2O3系气敏陶瓷常见的铁的氧化物有三种基本形式：FeO、Fe2O3和Fe3O4，其缺点是元件的使用工作温度较高。Fe2O3有两种陶瓷制品：-Fe2O3和-Fe2O3均被发现具有气敏特性。-Fe2O3具

31、有刚玉型晶体结构。热稳定性较优，但灵敏度差。Fe2O3系气敏陶瓷最大的特点是不用贵金属做催化剂也能得到较高的催化性，高温下热稳定性好。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷-Fe2O3对丙烷气体较灵敏，但对甲烷就不灵敏。-Fe2O3的化学稳定性好，对甲烷乃至异丁烷都非常灵敏，对水蒸气和乙醇等却不灵敏。-Fe2O3作家庭用可燃气体报警器非常合适。因它对水蒸气和乙醇等不灵敏，故不会因水蒸气及酒精的存在而误报。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷接触燃烧式气体传感器：可燃性气体与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热，使铂丝温度升高，电阻值相应增大。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应产生的反应热量愈多，

32、铂丝的温度变化愈大，其电阻值增加的就越多。只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷接触燃烧式气敏元件的结构：高纯铂丝绕制成线圈，为了使线圈具有适当的阻值(1-2)，一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层，干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。烧结后的小球放在贵金属铂、钯等的盐溶液中充分浸渍后取出烘干。经过高温热处理，在载体上形成贵金属触媒

33、层，最后组装成气体敏感元件。也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状，涂覆在铂丝绕成的线圈上，直接烧成后备用。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。R是检测元件，工作时要保持100-200mA的电流通过，供可燃性气体在发生氧化反应所需要的热量。当检测元件与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，产生电位差U0，R的电阻变化为：式中，为电阻温度系数，C为元件热容，Q为燃烧热，m为可燃气体浓度，a为常数，Q为燃烧热。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷固体电解质气敏传感器主要为

34、ZrO2氧敏传感器。ZrO2系氧气敏感陶瓷，又叫氧浓度计或氧传感器，主要用于汽车排气、锅炉排气等场所，控制燃烧或净化尾气，提高燃烧效率，减少空气污染。ZrO2在高温下具有氧离子传导性。纯净的ZrO2在常温下属于单斜晶系，在1100下，为正方晶系，2500下，为立方晶系，2700下熔融。在熔融二氧化锆中添加CaO、Y2O3、MgO等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。杂质的加入在ZrO2晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷在固体电解质两侧氧气的分压不同时，就会产生电动势。其中，F为

35、法拉第常数，Pc为阴极侧的氧气分压，Pa为阳极侧的氧气分压。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷TiO2氧敏传感器：TiO2属于n型半导体，对氧气十分敏感，其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。图是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，U0增大。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷气敏陶瓷的应用实例1.燃气报警器各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成

36、分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。敏感材料敏感材料-气敏陶瓷气敏陶瓷2.氧浓度传感器用于汽车尾气测量3.酒精传感器4.有毒气体传感器敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷热释电效应：由于温度的变化，陶瓷出现结构上的电荷中心相对位移，使它们的自发极化强度发生变化，在它们的两端产生异号的束缚电荷，这种现象称为热释电效应。热释电效应的强弱使用热释电系数表示：P为热释电系数。热释电陶瓷：具有热释电效应的陶瓷。敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷晶体中存在热释电效应的前提是：具有自发极化，即晶体结构的某些方向正、负电荷重心不重合；有温度变化，反映材料在温度变化下的性

37、能。热释电晶体分为两类：一类具有自发极化，但自发极化不随外电场转向；另一类自发极化能被外电场转向，即铁电晶体。热释电陶瓷经过强直流电极化处理后能从各向同性转变成各向异性体，并具有剩余极化，出现热释电效应，敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷热释电体一般具有一级和二级热释电效应。当晶体处于夹持状态，受热后尺寸和形状不变，热释电系数为恒定的，称为一级热释电效应。温度变化时，系统发生自发极化，产生应变，应变通过压电效应对自发极化造成影响，称为二级热释电效应。恒定压力下热释电效应为两者之和。铁电陶瓷材料在居里温度附近，其自发极化Ps随温度升高的变化比较大，具有较大的热释电效应敏感材料敏感材料-热释电

38、陶瓷热释电陶瓷单晶热释电材料包括TGS(硫酸三甘肽)、LiNbO4、LiTaO3及(Ba，Sr)Nb2O6等。多晶陶瓷材料包括BaTiO3，PbTiO3，Pb(Zr，Ti)O3等。锆钛酸铅铁电-铁电相变型陶瓷材料：PbZrO3-PbTiO3固溶体靠近PbZrO3一侧(Zr/Ti65/15)的铁电-铁电相变材料，有下列特点：低温铁电相转变为高温铁电相时，自发极化发生突变，Ps约为0.510-2C/cm2，热释电系数达410-6C/(cm2K)；敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷介电常数在200-500之间，相变前后变化不大；相变前后为均为斜方相，自发极化方向不变，仅数值有变化。缺点：相变温度

39、高于室温，使用温度要提高到相变温度(60-150)，这就给一般的热释电探测器的实际使用带来了困难。进行改性研究，添加含Pb的第三组元Pb(Nb1/2Fe1/2)O3、Pb(Ta1/2Sc1/2)O3等，可使相变温度降至室温附近。经过改性的PZT陶瓷，有良好的热释电性能，目前已制成单个探测器，在红外探测器和热成像系统中得到了应用。敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷钛酸铅：PbTiO3陶瓷的热释电系数大，近于610-8C/(cm2K)，介电常数低于其他铁电陶瓷，而且居里温度高(约490)，抗辐射性能好，在实际使用范围内(-20-60)，可使元件本身输出电压不变，作为探测器，无须保持恒温。目前已

40、做成了人造卫星上的红外地平仪和热释电红外辐射温度计。红外探测器敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷热释电陶瓷的应用陶瓷热释电材料最主要的应用是作为热释电探测器。热释电探测器的工作过程如下：接收红外辐射产生温升；由于温升引起热释电晶片表面电荷的变化(极化变化)；由于晶片表面电荷变化晶片上、下表面电势差的变化，通过放大器使其转换成电压或电流进行测量。敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷热释电探测器的特点：比光探测器适用于更宽的频带范围，从X光射线到微波范围均可适用；热释电探测器工作时，不必达到热平衡，既可在室温下工作，又具有响应快的特点；响应速度非常快，能探测一些相当快的信号，如测出脉冲激光器

41、的脉冲等，其时间常数已达到纳秒，甚至有的可达皮秒级。敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷应用实例1.入侵报警：用作红外入侵报警系统的人体热辐射传感器。一般可探测15米以内移动的人体。从人体辐射出的红外线波长约为9-10微米，总能量约为10-100W/h，这种辐射能密度与距离的平方成反比，对于受光面积小的探测器，能接收的能量很小，所以要用凹面反射镜聚光。用来探测人体最多的是门自动开关、入侵者报警器、来客报信机、自动售货机等。敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷2.火焰探测：用于可能出现明火的场合，如石油平台、储油罐等，并已开始用于自动灭火系统。可监视200平方米区域内的火情，警戒距离为20m

42、。使用中的主要问题是区分火焰和外界的光学干扰(如太阳光和白炽灯的反射光)。火焰光谱的辐射强度值在微米，这是热的CO2的发射谱线，所以在设计光学系统时，要用只能让微米的红外辐射通过的滤光片。用光谱的检测方法监测大气污染和测定某些特种气体的含量，只需配置与气体的特定吸收峰相对应的窄带滤光片。敏感材料敏感材料-热释电陶瓷热释电陶瓷3.非接触测温：主要用于两种场合，一是不能接触的运动部件或极高温的熔体，另一种是小面积的辐射源，热释电红外探测器通常用于-60-100的温度范围。4.红外热像仪：景物的红外辐射经透镜成像在靶面上，由于温度分布而产生靶面上的电荷分布，在靶的背面用扫描电子束读出。对景物作二维扫描，单元热释电探测器接收热辐射，经放大把热像显示在示波管上。这种热像仪特别适用于室内工作，通常作为临床医学的最新诊断手段之一。热像技术已广泛应用于航空、遥感、无损探伤、临床医学以及节能技术等方面，具有室温工作、价格低廉的特点。作作业1.衡量热敏材料的几个参数是什么？2.什么叫热释电效应？3.*简述气敏材料的工作原理。